Термопрокладки для аккумуляторов электромобилей: что они делают, как выбрать правильную и почему это важно для срока службы батареи

Почему термопрокладки для аккумуляторов электромобилей имеют решающее значение для производительности аккумуляторной батареи

Термопрокладки для аккумуляторов электромобилей, также называемые термоинтерфейсными прокладками для аккумуляторов, прокладками для заполнения зазоров или теплопроводящими прокладками, представляют собой мягкие сжимаемые листы теплопроводящего материала, помещаемые между элементами или модулями аккумуляторной батареи и охлаждающей пластиной под ними. Их функция звучит просто: проводить тепло от аккумуляторных элементов в систему охлаждения. Но инженерная задача, которую они решают, далеко не тривиальна. Батарейные элементы изготавливаются с размерными допусками, которые приводят к небольшим изменениям высоты и плоскостности поверхности по всему модулю. Без совместимого промежуточного слоя твердый контакт металл-металл между элементами и охлаждающей пластиной покрывал бы только выступы каждой поверхности, оставляя большую часть области интерфейса в виде воздушного зазора, а воздух является чрезвычайно плохим проводником тепла.

Термопрокладка заполняет эти микроскопические и макроскопические зазоры, одновременно прижимаясь к обеим поверхностям при умеренном сжатии. Этот тесный контакт значительно снижает сопротивление теплового контакта на границе раздела, создавая путь тепла с низким сопротивлением от корпуса элемента через площадку к опорной пластине с жидкостным охлаждением. С практической точки зрения, разница между интерфейсом без мягкой подкладки и правильно подобранной термопрокладкой может означать разницу между аккумулятором, работающим при температуре 35°C или 55°C во время цикла быстрой зарядки — разница температур, которая имеет серьезные последствия для срока службы батареи, скорости зарядки и запаса прочности против перегрева.

Помимо управления температурным режимом, Термопрокладки для аккумуляторов электромобилей Они также выполняют второстепенные функции, которые не менее важны для аккумуляторной батареи серийного автомобиля. Они обеспечивают электрическую изоляцию между корпусом элемента и охлаждающей пластиной в конструкциях, где охлаждающая пластина заземлена или имеет другой потенциал. Они поглощают напряжение расширения, когда элементы набухают во время зарядки и разрядки — литий-ионные элементы могут расширяться на 2–5% за цикл зарядки, а без эластичного слоя это расширение создает механическое напряжение в структуре модуля, которое может повредить корпуса элементов или отсоединить шины. Правильная термопрокладка одновременно является компонентом теплопередачи, электрическим изолятором и механическим буфером.

Как значения теплопроводности переводятся в реальную температуру батареи

Теплопроводность (выраженная в Вт/м·К) — это основная характеристика любой термопрокладки, которую сравнивают покупатели в первую очередь. Но проводимость сама по себе не дает полной картины о том, как площадка будет работать в аккумуляторном блоке — толщина, поведение при сжатии и качество контакта с поверхностью взаимодействуют, определяя фактическое тепловое сопротивление на границе раздела, которое является параметром, который напрямую определяет, насколько температура элемента превышает температуру охлаждающей жидкости при заданной тепловой нагрузке.

Сопротивление термического интерфейса (измеряется в см²·К/Вт или м²·К/Вт) сочетает в себе объемную проводимость площадки с ее толщиной и качеством контакта с поверхностью. Прокладка с умеренной проводимостью 3 Вт/м·К, сжатая до толщины 0,5 мм, превосходит по характеристикам прокладку с более высокой проводимостью 6 Вт/м·К, сжатая до толщины 2 мм, поскольку более толстая прокладка содержит больше материала для проведения тепла. Отношения: термическое сопротивление = толщина / (проводимость × площадь) . Это означает, что в аккумуляторном блоке, где допуски на сборку хорошо контролируются, а зазоры небольшие, тонкая площадка с умеренной проводимостью часто обеспечивает лучшие тепловые характеристики, чем толстая, с высокой проводимостью, а также стоит меньше и увеличивает вес.

Практические значения проводимости на рынке термопрокладок для аккумуляторов электромобилей варьируются от 1,5 Вт/м·К для базовых прокладок для заполнения зазоров, используемых в устройствах с низким энергопотреблением, до 3–6 Вт/м·К для обычных автомобильных аккумуляторных батарей и до 8–15 Вт/м·К для высокопроизводительных устройств быстрой зарядки и автоспорта, где минимизация теплового сопротивления является доминирующим ограничением при проектировании независимо от стоимости. При температуре выше примерно 10 Вт/м·К термопаста или материалы с фазовым переходом начинают конкурировать, хотя ни один из них не обеспечивает такое же сочетание соответствия требованиям, простоты сборки и возможности повторной обработки, которое обеспечивает твердая термопрокладка в условиях производственной линии.

Типы материалов: силиконовые, несиликоновые и термопрокладки с фазовым переходом.

Базовый материал термопрокладки аккумулятора электромобиля определяет его температурный диапазон, химическую совместимость, долговременную стабильность, характеристики сжимаемости, а также то, создает ли он какой-либо риск загрязнения в среде сборки аккумулятора. На рынке термопрокладок для автомобильных аккумуляторов доминируют три семейства материалов, каждое из которых обладает особыми преимуществами, которые делают его подходящим для различных требований к конструкции.

Термопрокладки на силиконовой основе

Термопрокладки с силиконовой матрицей являются наиболее широко используемым типом в автомобильной промышленности. Силикон обеспечивает широкий диапазон рабочих температур (обычно от -60°C до 200°C), превосходную долговременную эластичность, которая сохраняет силу сжатия и эффективность заполнения зазоров в течение многих лет термоциклирования, хорошую химическую инертность и совместимость со стандартными требованиями воспламеняемости UL94 V-0 для материалов аккумуляторных батарей. Теплопроводящие наполнители — оксид алюминия, нитрид бора, нитрид алюминия или их комбинации — диспергируются по всей силиконовой матрице для достижения желаемого уровня проводимости. Мягкость и пластичность силиконовой матрицы обеспечивают плотный контакт с поверхностью даже при низком монтажном давлении, что делает силиконовые прокладки хорошо подходящими для умеренных усилий зажима, доступных в большинстве конструкций аккумуляторных модулей.

Основным ограничением термопрокладок на основе силикона в электромобилях является выделение газов из силикона. Силиконовые материалы выделяют низкомолекулярные силоксановые соединения в виде летучих органических соединений (ЛОС) при повышенных температурах. В герметичном аккумуляторном блоке эти силоксановые соединения могут откладываться на электрических контактах, сенсорных элементах и ​​клеммах элементов, потенциально вызывая проблемы с контактным сопротивлением или мешая механизмам вентиляции элементов. Вот почему некоторые автомобильные OEM-производители, особенно те, у которых есть строгие программы контроля загрязнения силиконом, используют термоинтерфейсные материалы, не содержащие силикона, для внутренних поверхностей аккумуляторных батарей.

Несиликоновые (без силикона) термопрокладки

В несиликоновых термопрокладках используются альтернативные полимерные матрицы — полиуретановые, акриловые, полиолефиновые или материалы на основе воска — для переноса теплопроводящего наполнителя. Эти материалы полностью исключают проблему выделения силикона, поэтому их все чаще выбирают OEM-производители со строгими требованиями к сборке без силикона, в том числе многие японские и европейские автопроизводители. Термопрокладки на основе полиуретана обеспечивают хорошую сжимаемость и умеренный температурный диапазон, подходящий для внутренних частей аккумуляторных батарей (обычно от –40°C до 130°C). Термопрокладки на акриловой основе обеспечивают более прочный и стабильный по размерам лист, с которым легче обращаться и вырезать при сборке аккумуляторных блоков большого объема. Компромиссом для конструкций без силикона обычно является более узкий температурный диапазон и пониженная долговременная эластичность по сравнению с силиконом, что необходимо учитывать при расчете толщины подушечек и конструкции сжатия.

Материалы термоинтерфейса с фазовым переходом

Материалы с термоинтерфейсом с фазовым переходом (PCM) представляют собой специализированную категорию, которая переходит из твердого состояния в жидкость при определенной температуре перехода — обычно 50–70 ° C — и обратно в твердое состояние при охлаждении. В жидкой форме PCM втекает в микроскопические элементы поверхности, обеспечивая почти идеальный контакт, значительно сводя к минимуму сопротивление интерфейса. Прокладки с фазовым переходом поставляются в виде цельных листов для облегчения сборки и термически оптимизируются после первого термического цикла в эксплуатации. Они достигают одних из самых низких значений сопротивления интерфейса среди твердотельных термоинтерфейсных материалов и используются в высокопроизводительных аккумуляторных блоках, где минимизация повышения температуры во время быстрой зарядки является основным конкурентным отличием. Их ограничением является то, что жидкая фаза требует соответствующей геометрии защитной оболочки, чтобы предотвратить миграцию материала из границы раздела при повторяющихся термических циклах.

Поведение при сжатии и почему оно определяет долгосрочные тепловые характеристики

Поведение термопрокладки при сжатии, возможно, более важно, чем ее объемная проводимость, для долгосрочной работы аккумуляторной батареи. Значение теплопроводности, указанное в технических характеристиках, измерено при определенном испытательном давлении — обычно 10 фунтов на квадратный дюйм (69 кПа) или выше — которое может сильно отличаться от фактического сжимающего напряжения, которое испытывает подушка в собранном аккумуляторном модуле. Подушка, сжатая ниже испытательного давления, будет иметь значительно более высокое термическое сопротивление, чем указано в таблице данных; чрезмерное сжатие подушечки может привести к снижению податливости, необходимой для аккомодации разбухших клеток.

Два свойства, связанные со сжатием, крайне важно указать правильно. Набор сжатия измеряет, какую остаточную деформацию накапливает колодка после длительного сжатия — выражается в процентах от первоначальной толщины, потерянной после определенного периода под нагрузкой. Высокая степень сжатия означает, что прокладка постепенно утончается в процессе эксплуатации, снижая как ее способность заполнять зазоры, так и способность отслеживать набухание клеток. Для аккумуляторных блоков, которые, как ожидается, прослужат 10–15 лет при сотнях тысяч циклов зарядки, остаточная степень сжатия должна быть ниже 20% при наихудших условиях температуры и нагрузки. Отклонение сжимающей нагрузки описывает взаимосвязь между приложенным давлением и изменением толщины подушки — эта кривая определяет, будет ли зажимная конструкция модуля создавать чрезмерную нагрузку на ячейки или недостаточное контактное давление на термопрокладку в расчетной точке сжатия.

Теплопроводящие подушечки, которые содержат большое количество твердых керамических наполнителей (таких как нитрид алюминия или нитрид бора) для достижения высоких значений проводимости, часто имеют меньшую сжимаемость по сравнению с слегка наполненными силиконовыми подушечками. Это фундаментальный компромисс между материалами: большее количество наполнителя увеличивает проводимость, но снижает деформируемость матрицы. Разработчики аккумуляторных блоков, работающие с этими пластинами с высокой проводимостью, должны гарантировать, что конструкция зажима модуля создает достаточное давление сборки для достижения необходимого поверхностного контакта, не превышая при этом максимальную сжимающую нагрузку, которую могут выдержать элементы, обычно определяемую производителем элементов как максимальное давление пакета в диапазоне 100–500 кПа в зависимости от формата элемента.

Электроизоляционные свойства: диэлектрическая прочность и объемное сопротивление

В большинстве архитектур аккумуляторных блоков электромобилей охлаждающая пластина находится под потенциалом земли или под определенным опорным напряжением шасси, в то время как корпуса элементов находятся под высоким напряжением аккумуляторного блока. Термопрокладка между ними должна обеспечивать надежную электрическую изоляцию для предотвращения тока утечки, коротких замыканий и замыканий на землю, которые могут вызвать срабатывание функции контроля изоляции системы управления батареями или, в худшем случае, создать опасность поражения электрическим током. Эта двойная роль — теплопроводящая, но и электроизоляционная — является одним из ключевых инженерных парадоксов материалов термоинтерфейса, поскольку большинство хороших теплопроводников (металлы, графит) также являются хорошими электрическими проводниками.

Решение заключается в использовании неметаллических теплопроводящих наполнителей, в частности гексагонального нитрида бора (hBN), оксида алюминия (Al₂O₃) и нитрида алюминия (AlN), которые имеют теплопроводность 20–300 Вт/м·К в массе, но являются электрическими изоляторами. При диспергировании в полимерной матрице в больших объемных долях эти наполнители создают теплопроводящую сетку, в то время как изолирующая полимерная матрица сохраняет электрическую изоляцию. Хорошо разработанная термопрокладка для аккумулятора электромобиля обеспечивает диэлектрическую прочность 10–30 кВ/мм и объемное сопротивление, превышающее 10¹² Ом·см, что обеспечивает комфортный запас по сравнению с максимальным рабочим напряжением современных автомобильных аккумуляторных блоков (системы 400 В и 800 В).

Диэлектрическая прочность должна проверяться при минимальной толщине сжатой подушки, которая будет иметь место при производстве, а не при номинальной толщине. Если в собранном модуле площадку толщиной 2 мм сжать до толщины 1,5 мм, диэлектрическое выдерживаемое напряжение сжатой площадки будет на 25 % ниже, чем при полной толщине. Прокладки, используемые рядом с острыми металлическими краями (элементами охлаждающей пластины, торцевыми крышками элементов, краями шин), также должны быть проверены на предмет локального усиления электрического поля, которое возникает при геометрических неоднородностях, что может вызвать локализованный пробой диэлектрика при напряжениях, значительно ниже номинальных значений устойчивости к однородному полю.

Сертификация огнестойкости, дегазации и автомобильных материалов

Термопрокладки для аккумуляторов электромобилей, используемые в серийных автомобилях, должны пройти комплексный набор квалификационных испытаний материалов, которые выходят далеко за рамки основных тепловых и электрических характеристик. Стандарты материалов OEM для автомобильной промышленности значительно более строгие, чем общеотраслевые требования, что отражает последствия для безопасности повреждения материала в аккумуляторной батарее, установленной в легковом автомобиле.

Требования к огнестойкости

Все материалы внутри аккумуляторной батареи должны соответствовать классу воспламеняемости UL94 V-0 в качестве минимального требования. V-0 означает, что испытуемые образцы самозатухают в течение 10 секунд после удаления запального пламени без капания горящего материала. Многие OEM-производители требуют дополнительных испытаний по FMVSS 302 (Федеральный стандарт безопасности транспортных средств на внутреннюю воспламеняемость) или по протоколам испытаний на огнестойкость, разработанным для OEM-производителей, которые более точно моделируют условия температурного разгона батареи. Термопрокладки, соответствующие стандарту UL94 V-0 в стандартных условиях, могут потребовать повторной квалификации, если рецептура их материала изменена для изменения свойств проводимости или сжатия — поведение воспламеняемости зависит от содержания и типа наполнителя, а изменения, улучшающие тепловые характеристики, иногда снижают огнестойкость, если не соблюдать меры предосторожности.

Тестирование на дегазацию и выбросы ЛОС

Внутренние материалы аккумуляторной батареи проверяются на выбросы летучих органических соединений (ЛОС) в условиях повышенных температур, которые имитируют наихудшее эксплуатационное тепловое воздействие. Проблема заключается не только в загрязнении силиконом, но и в органических соединениях, которые могут осаждаться на вентиляционных отверстиях элементов, блокировать абсорбцию электролита или создавать концентрации горючих паров внутри герметичного корпуса. VDA 278 (термодесорбционный анализ) и VDA 270 (оценка запаха) являются стандартными методами испытаний, используемыми в цепочке поставок автомобильной продукции Германии; JASO M902 соответствует аналогичным требованиям японских OEM-производителей. Поставщики должны предоставить данные сторонних лабораторных испытаний для этих протоколов ЛОС в рамках документации PPAP (Процесс утверждения производственных деталей), необходимой перед закупкой массового производства.

Квалификация по термическому циклированию и старению

Тестирование долгосрочной надежности термоподушек для аккумуляторов электромобилей обычно включает циклическое изменение температуры между минимальной температурой холодного выдерживания (-40°C) и максимальной рабочей температурой (от 85°C до 105°C) в течение 500–1000 циклов с одновременным измерением изменения термического сопротивления и реакции на сжимающую нагрузку через определенные промежутки времени. Критерии приемки требуют, чтобы термическое сопротивление увеличивалось не более чем на 10–20 % по сравнению с первоначальными значениями в течение всей продолжительности испытаний. Это жесткое требование исключает материалы, которые разрушаются в результате оседания частиц наполнителя, разрыва полимерной цепи или окислительного упрочнения в течение предполагаемого срока службы автомобиля 10–15 лет.

Выбор подходящей термопрокладки для аккумулятора электромобиля: ключевые параметры, которые необходимо указать

Выбор термопрокладки для аккумуляторной батареи электромобиля для новой конструкции аккумуляторной батареи требует системного подхода, который учитывает полный набор функциональных требований, прежде чем оценивать возможные материалы. Сосредоточение внимания только на проводимости и игнорирование характеристик сжатия, электрической изоляции или химической совместимости приводит к созданию качественных материалов, которые не соответствуют требованиям эксплуатации или создают проблемы при промышленной сборке.

• Размер зазора и диапазон допуска: Определите номинальный зазор между корпусом ячейки и охлаждающей пластиной при расчетном сжатии, а также полный диапазон допусков от минимального до максимального монтажного зазора для всей производственной партии. Подушка должна адекватно заполнять максимальный зазор, не создавая при этом чрезмерной сжимающей силы в минимальном зазоре.
• Целевое термическое сопротивление: Двигайтесь в обратном направлении от предела температуры ячейки и температуры охлаждающей жидкости, чтобы определить максимально допустимое тепловое сопротивление на границе раздела, затем выберите толщину и проводимость прокладки, чтобы они соответствовали этому целевому значению при расчетном давлении сжатия.
• Размещение набухания клеток: Убедитесь, что оставшаяся сжимаемость прокладки после первоначальной сборки достаточна для того, чтобы обеспечить расширение объема элемента во всем диапазоне состояний заряда, не превышая максимальное давление в пакете, указанное производителем элемента.
• Напряжение электрической изоляции: Подтвердите диэлектрическую стойкость при минимальной толщине в сжатом состоянии с учетом максимального рабочего напряжения аккумулятора с соответствующим коэффициентом безопасности согласно IEC 60664 или соответствующему стандарту координации автомобильной изоляции.
• Требование отсутствия силикона: Уточните у OEM-производителя, контролируется ли среда сборки силиконом, и укажите это соответствующим образом — это ограничение исключает прокладки на основе силикона и ограничивает выбор альтернативами без силикона.
• Требования к воспламеняемости и сертификации: Укажите как минимум UL94 V-0; подтвердите любые дополнительные требования к испытаниям на огнестойкость, специфичные для OEM, и включите их в план квалификационных испытаний поставщика.
• Совместимость процесса сборки: Подумайте, будет ли прокладка наноситься вручную или автоматически, потребуется ли для нее защитный слой до сборки, должна ли она иметь клейкую подложку для предварительного позиционирования на охлаждающей пластине и должна ли она выдержать какие-либо промежуточные этапы процесса, такие как проверка жидкостей для проверки герметичности или печи для отверждения клея перед окончательной сборкой модуля.

Привлечение поставщиков термопрокладок на ранних этапах программы разработки аккумуляторных блоков — до того, как будут окончательно определены размеры конструкции модуля — позволяет оптимизировать толщину прокладки и конструкцию сжатия с архитектурой зажима модуля. Такой подход на системном уровне неизменно обеспечивает лучшие тепловые характеристики и меньшую общую стоимость сборки, чем модернизация спецификации контактной площадки в конструкцию модуля, которая была окончательно разработана без учета механического поведения контактной площадки.